山西数字化地电场仪观测系统干扰分析

李　颖，胡玉良，程冬焱

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西　太原　030025)



山西数字化地电场仪观测系统干扰分析

李颖1，2，胡玉良1，2，程冬焱1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025)

对山西省5个地电台站的大地电场观测资料进行分析整理，对影响数字化地电场仪观测的观测系统干扰因素加以识别和分析，以期为地电场仪观测中干扰因素的有效排除及观测系统日常维护提供参考，有助于提高前兆资料的使用价值。

地电场；观测系统；干扰分析

0　引言

大地电场观测是地震前兆观测的重要手段之一。山西省“十五”数字化地电场仪安装运行以来，记录到丰富的电磁场变化信息，但随着观测仪器采样率和灵敏度的提高，系统自身对大地电场观测的影响也随之增多，严重影响正常的日变形态。地电场观测数据出现非正常变化时，应先对观测系统、装置系统进行检查。本文利用大同、代县、太原、夏县、临汾5个地电台站的地电场观测数据，对台站实际观测中常见的观测系统干扰因素进行深入分析，并对典型干扰的形态特征及干扰机制进行探讨，提出合理的处置方法与措施，以期对今后大地电场日常观测中的干扰识别和排除有所借鉴。

1　山西地电场观测概况

山西省共有5个地电场观测台站，分别为大同中心地震台、代县中心地震台、太原基准地震台、临汾中心地震台和夏县中心地震台，依次分布于大同、忻定、太原、临汾、运城5大断陷盆地(见图1)。目前，山西区域大部分地震前兆台网所用的大地电场观测仪器是中国地震局预测研究所生产的ZD9A-Ⅱ型数字地电场仪(“十五”数字地震观测网络项目)，其中临汾台因2014年12月华北片区仪器更新改造，原地电场仪ZD9A-Ⅱ更换为ZD9A-2B；测量电极是LGB-2型固体不极化电极，埋深均≥3米；观测外线路均呈双“L”型六测道布极；大同、代县架设方式采用架空式，太原武家寨、夏县、临汾为地埋式。山西地电场仪安装遵循中国地震局《地震及前兆数字观测技术规范》(电磁观测)和《中国地震前兆台网技术规程》的技术要求。

图1　山西区域地震前兆台网地电场空间分布图Fig.1　Spatial distribution of geoelectric field of earthquake precursor network in Shanxi

2　地电场观测系统

地电场观测系统主要由测量装置系统(外线路、电极等)和测量系统(主机、电源)组成(见图2)。其中装置系统是测量系统的基础和依托设施；测量系统作为核心部分，是产生信号的源和信号检测以及产出最终结果的设备。观测系统主要负责完成地电场信号的采集、模数转换、数据存储、数据传输处理等工作。

图2　地电场观测系统图Fig.2　Observation system of geoelectric field

3　观测系统干扰及影响分析

观测系统各部分能否正常运行直接影响观测数据的质量。围绕山西区域地电场观测中出现的电极故障、外线路故障、供电系统故障、主机故障及数采故障等常见的几种系统干扰展开分析。

3.1电极故障

测量电极是影响地电场观测资料和数据非正常变化的主要因素。山西5个地电台站目前使用的电极是兰州大地物探研究所生产的LGB-2固体不极化电极，该电极的实现原理是：一对电极在类似的介质条件下，产生的极化电位基本一致。这组电极埋设到土壤中(或其他导电介质中)可以保证电极间的极化电位差Vsp尽可能小[1]。固体不极化电极的基本结构如图3所示。

图3　地电场不极化电极结构示意图Fig.3　Structure of non-polarizing electrode of geoelectric field

地电场测量电极故障可分为两类，其一是电极与线路连接处故障，主要为线路锈蚀造成的接触不良；另一类是电极老化。其中影响电极老化的原因可能是由于固体不极化电极的埋设时间增长，使电极固体电解液与土壤接触不良甚至分离，导致接地电阻增大的同时电极固化，造成本身内阻增大[2]，电极抗干扰性能降低，观测数据曲线上出现阶跃、趋势上升或下降变化以及漂移等现象，长短极距各测项相关系数降低，严重影响观测数据质量。

以临汾台为例，临汾地电场仪各测道数据曲线在2015年5月以后不同程度出现漂移或阶变现象，6月至10月此类现象更加频繁，各测道相关系数逐渐降低，数据记录不理想(见第16页图4)。在对室内外线路、仪器进行全面检查，巡视观测场地和测区环境，对各电极引线接头重新进行防水处理后，数据观测质量没有得到提高。对各测道曲线同步变化及形态分析，认为是电极自身不稳定造成。其原因可能是由于电极内部电解质收缩从而与大地分离[3]。通过表1对2015年11月15日临汾台地电场更换新电极前后，长短极距相关系数及差值变化情况统计看出，当电极老化严重时，同测向长短极距差值明显增大，相关系数也较差，远低于《规范》标准；更换新电极以后，同测向长短极距差值及相关系数逐步恢复到正常水平。

表1　临汾台地电场更换电极前后各测道相关系数、差值对比

3.2外线路故障

外线路故障是影响地电场观测的主要干扰之一。当前，山西5个地电台站的地电场观测外线路均采用离石电缆厂定制的铜芯电缆，在日常观测过程中常见的故障主要有：线路接触不良(锈蚀、虚接、螺钉松等)、线路绝缘电阻太低(导线破皮)、闸刀未闭合、线路被盗、线路断接、信号线连接错误等。当出现故障时，观测数据会出现较大幅度的阶跃、高频变化及错误数据等。2014年7月10日8时17分至8时29分代县地电场短极距NW向出现突跳，变化幅度56.01 mV/km，经检查观测系统及外线路核实，是由降雨引起外线路接头处接触不良，从而对观测数据造成干扰，影响日变幅形态，这可能与接触不良形成电容有关(见图5)。按照相关技术规定，对接头处重新固定并用绝缘胶带做绝缘防水处理后，NW向观测数据恢复到正常状态。2015年10月17日太原武家寨电磁台因施工造成地电场仪第一装置NS向长、短观测线路损坏，数据变化超出仪器观测范围，观测数据出现阶跃、错误数据等变化(见图6)。

图5　外线路接触不良对代县地电场的影响Fig.5　Influence of bad contact of external line on geoelectric field in Daixian

图6　外线路损坏对武家寨地电场的影响Fig.6　Influence of external line damage on geoelectric field in Wujiazhai

3.3供电系统故障

供电系统的日常维护是台站工作的重要环节，稳定可靠的供电系统是观测数据运行率的保障。山西各地电台站供电系统统一采用市电+UPS+发电机模式。正常情况下，当有市电或发电机发电时，市电或发电机通过UPS稳压输出AC220V(±1%误差)电压；当市电停电或者发电机无法工作时，蓄电池通过UPS逆变输出AC220V电压；当市电、备用供电等供电系统或观测仪器内部电源等发生故障时，各测道观测数据同步出现正负高频尖端脉冲或缺数等现象。2015年7月8日11时53分至13时03分夏县台地电场因当地停电，发电机发电时220 V电压不稳定，导致各测道数据呈突跳变化，最大变化幅度为2.78 mV/km，图7显示长极距NS向电源电压不稳引起的观测曲线变化。

图7　电源电压不稳对夏县地电场的影响Fig.7　Influence of instability of power voltage on geoelectric field in Xiaxian

3.4主机故障、数采故障

地电场测量系统干扰中，主机故障和数采故障频率较高。主机故障一般表现为长短极距各测道观测曲线同步或者分别出现台阶、阶跃、数据错误等；数采故障表现为仪器连接不通、持续缺数和重启缺数等。

山西地电场观测中最常见的仪器死机问题一般表现为观测数据不定时缺测2～3分钟，这是由于工作程序暂时死机造成，一般可通过地电场仪内部“看门狗”重新启动恢复正常。若存在频繁启动现象，则与仪器中的网络控制模块PC104板(含CF卡、内存条等)工作不稳定，导致观测数据无法正常保存和网络传输有关。可能的原因是雷雨季频受雷电大电流冲击影响，造成测量主板损坏、PC104板工作不稳定或者采集板不工作。

如2014年6月、7月太原武家寨地电场仪频繁启动造成数据大面积丢失，在更换新的PC104板后故障现象出现好转。

4　结论

在地电场观测中，如观测数据曲线出现长短极距同一测向相关性较低、数据无序变化、缺失或者错误等情况，基本上可以确定为观测系统干扰。观测系统干扰的影响程度不尽相同，一般情况下，装置系统干扰会影响观测数据的稳定性，而测量系统干扰将会降低数据的连续率和完整率。观测系统干扰不同于自然环境、场地环境等干扰的不可避免性，可通过采取相应的处置措施将干扰隐患排除。

(1) 不极化电极长期稳定性是影响地电场观测数据质量的关键因素。电极故障的观测曲线形态特征一般表现为在电极正常观测背景下趋势变化和脉冲式大幅变化，各测项相关系数降低、差值增大，日变形态异常。山西省目前使用LGB-2固体不极化电极的理论使用期限为2～3年，但在本区域实际使用过程中，超过1年左右电极便出现老化、运行不稳定的情况。检查电极是否超过使用时限时，需要在附近地表埋设检测电极进行对比分析，一旦对故障现象进行了确认，需要对故障电极及时进行更换，并适当增加电极埋深，使其位于观测台址常年地表水位以下，确保电极的物理环境基本不变，从而获得连续稳定的观测资料[4]。2015年下半年，山西省对代县、太原、夏县、临汾4个地电台站的地电场仪进行了测量电极更新改造，目前4个台站的地电场观测数据正在逐步恢复稳定中。

(2) 当观测数据发生连续性同向突跳或台阶、同一测道变化幅度差别不大时，可判定为外线路故障。可以按照如下步骤进行检测：①检查可能故障线路的对地绝缘电阻；②从电极与外线路连接点开始，逐个检查所有连接点是否接触良好；③利用断开指定电极的方法，检测外线路与室内线路的标示和连接是否正确[5]。在外线路材料选取、敷设方法和线头接线工艺技术等方面，严格按照相关技术规范标准中的规定操作，是消除此类技术隐患的关键。

(3) 主机故障、数采漏采及电源故障是影响山西区域前兆台网数字化地电场仪仪器运行率、数据完整率的主要原因。专业观测设备的稳定性还有待继续提高，同时需加强仪器及发电设备的实时监控与及时维护。

[1]席继楼，赵家骝，王燕琼，等.地电场观测技术研究[J].地震，2002,22(2)：67-73.

[2]赵卫星，杜江，李宁，等.地电场观测中的系统干扰分析[J].地震地磁观测与研究,2012,33(6):195-200.

[3]史红军.地电场观测过程中的干扰因素分析[J].东北地震研究，2009，25(2)：51-57.

[4]马君钊，张磊，关华平，等.大地电场观测各类干扰源的调研与分析[J].地震地磁观测与研究，2010，31(5)：65-72.

[5]林家栋，林云芳.地震电磁观测技术[M].北京:地震出版社，1995.

(英文摘要

Interference of Digitized Geoelectric Meter Observation System in Shanxi

LI Ying1,2, HU Yu-liang1,2, CHENG Dong-yan1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Geoelectric field observation data of 5 stations in Shanxi Province are arranged and analyzed. Interference factors with the observation system of digitized geoelectric meter are identified and analyzed to provide reference for effective elimination of the interference factors in observation and daily maintenance of observation system.

Geoelectric field; Observation system; Interference analysis

1000-6265(2016)03-0014-04

2016-06-03

李颖(1986—)，女，山西省平遥人。2013年毕业于东北石油大学，硕士研究生，助理工程师。

P319.3+2

A